（应用化学专业论文）石英晶体微天平用于β环糊精含硫衍生物分子识别的研究.pdf

中 献 学 硕 士 学 位 论 文 咖 石 英 晶 体 微 天 平 用 于 。 环糊精含硫衍生物分子识别的研究 对蔡系、 苯系衍生物具有良 好的选择识别功能。 本研究的成果， 为环糊精的分子识别研究提供了一种简捷、 有效的在 线跟踪监测的研究手段， 不仅能给出热力学信息， 而且能给出有关动力学 数据， 使人们更好地从热力学和动力学两个方面来研究、 理解分子识别现 象 ， 因 而 且 有 重 w m it 诊 研 v , 知 宝 田 桥 佰、 关键词:石英晶体微天平; 学;分子识别a 一环 糊 臀 硫 衍 生 物 自 组 装 单 层 膜 “ 力 咖 石英晶体微天平用于0 - 环糊精含硫衍生物分子识别的研究 ab s t r a c t mo l e c u l a r r e c o g n i t i o n i s a c o m m o n p h e n o m e n o n e x i s t i n g w i d e l y i n t h e c h e m i c a l i n t e r a c t i o n s , e s p e c i a l l y i n t h e p r o c e s s e s o f b i o l o g i c a l a c t i v i t y . i t p l a y s a n i m p o rt a n t r o l e i n t h e i n t e r a c t i o n a m o n g s u b s t a n c e s , b e c a u s e i t c o n t r o l s t h e e x c h a n g i n g o f s u b s t a n c e s , e n e r g y a n d i n f o r m a t i o n . r e s e a r c h a b o u t i t i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e t o c l a r i f y t h e i n t e r a c t i o n s o f s u b s t a n c e s , e s p e c i a l l y t o i n t e r p r e t b i o l o g i c a l p h e n o m e n a . d u e t o t h e s p e c i a l s t r u c t u r e o f c y c l o d e x t r i n w i t h a h y d r o p h i l i c o u t e r a n d a h y d r o p h o b i c i n t e r i o r c a v i t y , i t i s c o n v e n i e n t t o c o n s t r u c t v a r i o u s m o d e l s a n d c o n d u c t m i m i c e x p e r i m e n t s f o r t h e s e p h e n o m e n a . t h e m o le c u l a r r e c o g n i t i o n s t u d y o f c y c l o d e x t r i n i s o f g r e a t i n t e r e s t t o r e s e a r c h e r s . t h e p r e s e n t r e s e a r c h m e t h o d s , s u c h a s c i r c u l a r d i c h r o i s m s p e c t r o s c o p y a n d fl o c o r e s c e n c e s p e c t r o s c o p y , a r e o n l y l i m i t e d t o t h e q u a l i t a t i v e a n a l y s i s a n d t h e d e t e r m i n a t i o n o f s o m e t h e r m o d y n a m i c a l p a r a m e t e r s , a n d c o u l d n o t m o n i t o r d i r e c t l y t h e p r o c e s s o f t h e i n c l u s i o n r e a c t i o n a n d c o u l d n o t g i v e i n f o r m a t i o n r e l a t e d t o t h e k i n e t i c s o f t h e s e i n c l u s i o n c o m p l e x e s f o r m a t i o n . s e e i n g t h a t , q u a rt z c ry s t a l m i c r o b a l a n c e ( q c m) w a s f ir s t l y i n t r o d u c e d i n t o t h e s t u d y o n m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n o f r - c y c l o d e x t r i n , a n d t h e i n c l u s i o n c o m p l e x e s f o r m a t i o n o f n a p h t h a l e n e d e r i v a t i v e s a n d b e n z e n e d e r i v a t i v e s w i t h p - c y c l o d e x t r i n d e r i v a t i v e w a s m o n i t o r e d i n s i t u . t h e i n f o r m a t i o n r e l a t e d t o t h e t h e r m o d y n a m i c s a n d t h e k i n e t i c s o f i t s f o r m a t i o n w a s g i v e n : 1 ) t h e s y n t h e s i s o f (0 - c y c l o d e x t r i n d e r i v a t i v e t h e t h i o l - t e r mi n a t e d p d e r i v a t i v e w a s s y n t h e s i z e d b y m o l e c u l a r d e s i g n , a n d i t s s t ruc t u r e a n d i t s m e l t i n g p o i n t w e r e d e t e r m i n e d 2 ) t h e k i n e t i c s s t u d i e s o n t h e f o r m a t i o n o f m e m b r a n e : t h e f o r ma t i o n o f t h i o l - t e r mi n a t e d s e l f - a s s e m b l e d m o n o l a y e r ( s a m) b y u s i n g q c m. t h e i n fl u e n c e s v a l u c e s o f t h e s o l u t i o n o n t h e r - c y c l o d e x t r i n d e r i v a t i v e ( r - c d d ) o n g o l d e l e c t r o d e w a s m o n i t o r e d i n s i t u o f t e m p e r a t u r e , c o n c e n t r a t i o n a n d p h s a m f o r m a t i o n a n d i t s s t a b i l i t y t n w er e 中 南 大 学 硕 士 学 位 论 文份 石英晶体微天平用干p 一 环糊精含硫衍生物分子识别的研究 i n v e s t i g a t e d . t h e r e s u l t s o b t a i n e d i n d i c a t e d t h a t t h e k i n e t i c s o f s a m f o r m a t i o n f i t t e d f o r t h e l a n g m u i r a d s o r p t i o n e q u a t i o n q u it e w e l l , a n d t h a t t h e s a m w a s m o r e s t a b l e i n t h e a b s o l u t e a l c o h o l w i t h p h r a n g i n g f r o m 5 .6 t o 1 0 .0 a n d i n t h e a q u e o u s s o l u t i o n w i t h r a n g i n g fr o m 6 .0 t o 9 . 2 . 3 ) t h e s t u d i e s o n t h e p r o c e s s o f m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n : t h e i n c l u s i o n r e a c t i o n s o f b e n z e n e d e r i v a t i v e s a n d n a p h t h a l e n e d e r i v a t i v e s w i t h 0 - c d d w e r e m o n i t o r e d i n s i t u b y u s i n g q c m. t h e i n fl u e n c e s o f t e m p e r a t u r e a n d c o n c e n t r a t i o n o n t h e i n c l u s i o n s t a b i l i t y c o n s t a n t ( k i n ) a n d t h e r a t e c o n s t a n t ( k a ) w e r e d i s c u s s e d . t h e r e l a t i o n a l e x p r e s s i o n s o f k i n a n d k a w e r e d e d u c e d t h e o r e t i c a l l y a n d w e r e t e s t i f i e d b y e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . t h e r e s u l t s o b t a i n e d s h o we d t h a t t h e i n c l u s i o n r e a c t i o n s t a l l i e d w i t h t h e l a n g m u i r a d s o r p t i o n m o d e l , a n d i t s f o r m a t i o n k i n e t i c s w a s f i t t e d f o r th e l a n g m u ir a d s o r p t i o n e q u a t i o n , t h a t t h e s t o i c h i o m e t ry o f i n c l u s i o n c o m p l e x e s f o r m e d i s 1 : 1 , a n d t h a t t h e i n c l u s i o n r e a c t i o n s a r e f i r s t - o r d e r r e a c t i o n s u n d e r t h e c o n d i t i o n o f a n e x c e s s o f g u e s t . 4 ) v a r i o u s i n fl u e n c i n g f a c t o r s o n k i n a n d k a w e r e d i s c u s s e d a n d t h e f u n c t i o n s o f t h e a c t i v a t i o n e n e r g y a n d t h e e n t r o p y e f f e c t o n r e a c t i o n w e r e a n a l y s e d p r e l i m i n a r i l y . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t 0 - c d d h a s a g o o d s e l e c t i v e r e c o g n i t i o n a b i l i t y t o n a p h t h a l e n e d e r i v a t i v e s a n d b e n z e n e d e r i v a t i v e s . t h i s s t u d y r e s u l t s p r o v i d e d a k i n d o f s i m p l e , e ff e c t i v e a n d o n - l i n e m e t h o d f o r t h e s t u d y o n m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n o f c y c l o d e x t r i n . t h e m e t h o d i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e b o t h i n t h e o r e t i c a l r e s e a r c h a n d i n p r a c t i c a l u s e , b e c a u s e i t c a n g i v e n o t o n l y t h e r e l e v a n t t h e r m o d y n a m i c s i n f o r m a t i o n b u t a l s o t h e r e l e v a n t k i n e t i c d a t a , a n d m a k e m o r e u n d e r s t a n d a b l e t h e m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n fr o m t h e t w o a s p e c t s o f t h e r m o d y n a m i c s a n d k i n e t i c s k e y w o r d s : q u a rt z c r y s t a l m i c r o b a l a n c e ( q c m) ; t h i o l - t e r m i n a t e d 0 - c y c l o d e x t r in d e r i v a t i v e ( 0 - c d d ) ; s e l f - a s s e m b l e d mo n o l a y e r ( s a m) ; k i n e t i c s ; mo l e c u l a r r e c o g n i t i o n . i v 中 南大学硕士学位论文 k h 石英晶体微天平用于a - 环糊精含硫衍生物分子识别的研究 第一章文献综述 1 . 1环糊精的分子识别及其应用 1 . 1 . 1概述 分子识别是某给定受体对作用物选择性结合并产生某种特定功能的 过 程” ， 是分子间强烈而特殊的非共价键作用2 1 。 表面的 分子识别控制着 物质、 能量和信息的交换， 是在超分子水平上进行信息处理的 基础， 广泛 存在于化学相互作用中， 特别是在生命活动中， 诸如神经系统的电传递过 程、 动物的视觉过程、 绿色植物的光合作用和酬崔 化等过程所表现出的对 物质的识别、 输送和对能量的传递与转移功能， 都是建立在分子识别的基 础之上的。 现代化学、 生命科学的研究已深人到微观过程及其机理的研究， 从分子水平来研究物质间相互作用， 对分析、 理解许多现象 ( 特别是生命 现象) ， 指导我们的实验和实践具有重要的意义。 环糊精因其特殊的结构， 能与许多物质 离子、 无机分子、 有机分子 等) 形成包结配合物， 表现出对这些物质分子的选择识别功能， 正吸引着 广大研究者的浓厚研究兴趣【3 一 ， ， 。 本节将扼要介绍环糊精的 研究与应用情 况。 1 . 1 . 2环糊精的结构特牲5 - 6 ) 环糊精 ( c d) 是由几个。 - d - 毗喃葡萄糖分子通过。 - 1 , 4 糖昔键连 接起来的环状化合物。按葡萄糖单元的个数分为。 一 、0 一 、y 一 环糊精， 结构形状呈筒状， 由7 个葡萄糖单元构成的0 一 环糊精的结构( 0 - c d ) ( 其 它两 种结构与之类似) 见图1 一 1 a 从图1 - 1 可见，c d的6 一 位伯经基均处于筒的小口 端，2 , 3 一 位仲经 基则处在筒的大口端， c d的内腔由于3 , 5 一 位氢原子和糖营氧原子组成。 虽然糖营氧原子具有亲水性， 但受3 , 5 一 位氢原子的覆盖， 空腔具有强疏 水性; c = . c 3 , c 。 上的经基分布于筒两侧的开口 部位， 使c d分子外围具 有良 好的亲水性， 整个分子呈亲水性; 另外， 构成c d的葡萄糖单元均以 中 南 大 学 。 士 学 位 论 文 击 石英晶体微天平用于0 一 环糊精含硫衍生物分子识别的研究 .11we 洲 成“ 目丫 从 h . 0 h p 沪h - -o 图1 一 1 a - c d结构示意图 椅式构象存在， 使空腔具有手性， 给被包结物提供手性环境。 环糊精的空 腔大小见表卜t o 表 1 - 1环糊精的空腔大小 名称葡萄糖单元数 a - cd 6 s - c d 7 t - cd 8 空腔直径x 1 0 - 0 / m 空腔深度x 1 0 - 1 , / m - v7. 0 7 . 0 - 7. 5 已. 5 - - 7. 0 1 . 1 . 3环糊精的 应用 环糊精具有独特的亲水性外围和疏水性空腔， 能与许多有机和无机化 合物分子发生包结配位作用。 c d对不同分子的包结配位作用能力存在较 大差异，表现出对不同分子的良好的选择识别功能，因此，c d的应用都 是以其分子识别功能为基础的。 ( 1 ) 在有机合成中的应用 c d的 疏水性空腔为有机合成反应提供了 一个疏水性的结合部位，当 过程中某些分子在几何形状和尺寸上与c d空腔相匹配时， 即可发生包结 配位作用， c d一方面可为被包结的分子提供一个低介电常数的微环境， 同时c d上的基团也可能促进被包结的底物分子进行反应， 使反应速度增 加; 另一方面， 给被包结的 底物分子某些部位以 保护， 使反应表现出特异 选择性， 表现在以下几个方面: 1 ) 在c d催化下， 反应部位的特异性9 -l i d z 中 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 sw r r 石 英 晶 体 微 天 平 用 于 。 _环 ， ， 含 硫 衍 生 物 分 子 识 别 的 研 究 2 ) 反应类型的特异性!1 2 -ll 1 : 3 ) 反应的不对称特性1 a a s 1 : 4 ) 对其它反应的 催化作用， 如d i e l s - a i d e : 反应; 。 ， ， 相转移催化2 1 1 等。 ( 2 ) 在物质分离中的应用 c d及其衍生物对不同物质分子的选择结合能力存在较大差异，可用 作气相色谱固 定液、 液相色谱固定液、 流动相的手性添加剂2 ， ， 毛细管电 泳溶剂介质分离各种光学异构体2 3 - 2 6 1 和作为膜分离材料拆分手性化合物2 1 1 等。 ( 3 ) 在酶模拟研究中的应用 目 前要直接研究生命活动过程尚存在很大的困难， 人工模拟生命过程 是研究生命现象的一种行之有效的重要方法。c d的结构极似酶的结构， 且通过适当的 修饰改性， 可以 合成具有各种结构特征的 物质， 构建各种酶 模型川。 用环糊精构筑酶模型具有许多优点: 1 ) 有很好的水溶性， 而绝 大多数的生理过程都是在水作溶剂的条件下完成的;2 ) 客体在空腔中的 结合是可逆的， 包结配合物中客体的释放速度比 较慢， 为研究提供了方便; 3 ) 其分子显示诱导的圆二色性，手性的c d空腔可与手 性客体分子发生 对映体选择性配合等。 通过研究不同结构特征的环糊精与不同客体分子的 选择结合能力， 模拟酶与特定底物的结合， 对分析、 理解酶作用过程具有 重要的研究和应用价值， 这种仿酶研究是环糊精应用研究中 最典型的成就 ;5 1 ， 也是最具挑战性的课题，正引起超分子化学家和仿生化学家的极大研 究兴趣。 ; 1 . 1 . 4 环糊精的分子识别研究进展 环糊精 ( 主体) 对客体分子的识别过程，即 形成包结配合物的过程。 目前的研究主要集中在识别过程的热力学性质上，对其动力学规律的研 究， 由于缺乏有效手段， 对其报道很少。 已见报道的主要有: 以刘育为首 的研究小组用光谱滴定法研究了环糊精双核铜配合物对芳香氨基酸的手 性识别2 9 1 、 对4 一 取代苯酚的识别2 9 1 、 有机硒修饰的n - c d对l 一 和d 一 色氨 酸的 包结配合作用3 0 1 鲁晓凤等3 1 1用光谱法研究n - c d在水溶液中与香料 分子的包结作用:童林荟等研究c d与乙烯、三十烷醇的 包结配合物32 1 以酚酞为探针研究水溶液中(3 - c d与低分子脂肪醇作用3 3 1 ; y o s h i s a i n o n e . *古+、丽二、洁*七 . 二，。 、，_。_。一_、_ . j 刊尸 、 ， . 妙福 山 代 ， . 113 匕户 忆n侧 夕 乏 日 日1 平1 武人 r m r p - n t y l fi 肖w a fi. i 汀年物分子识别的研究 e t a l - ) ， 采用量热滴定法研究包结反应的熔变和嫡变; 此外， 还有研究 硒代p - c d作为s e g p x模拟物活力u 0 1 , p - c d含硫衍生物对梭酸二茂铁 的选择穿透性3 7 1 、 以p - c d衍生物模拟生物通道38 1 , p - c d对街 族化合物 的识别” ， 、对偶氮染料的键合和催化特性研究4 0 1 、以p - c d制成功能 电极“ 一 1 1 赋予电极特殊的选择功能等。 1 . 1 . 5环糊精分子识别的研究方法及其发展趋势 目 前报道的研究方法， 主要有圆二色谱法， ， ， 、 荧光光谱， ， ” 、 紫 外 光谱 u 11 、 光 谱滴 定法 e -l o l量 热 滴 定法34-3 5 1 x - 射 线 粉 末 衍 射 法133 1 . n m r 137 40 1 、 ir u : ， 及c v i7 7 - 38 1等。 这些方法都是通过包结反应前后某些物理特性的 变化来推断包结反应的发生，能够作定性分析和获取相关的热力学数据， 但也存在不足:1 ) 仪器设备昂贵;2 ) 操作要求高，需专职人员操作;3 ) 尤其是不能在线跟踪监测包结配位反应 ( 分子识别) 的过程， 在获取动力 学信息方面存在严重不足。 寻找一种能在线跟踪监测反应过程的研究手段， 对环糊精的分子识别 过程进行研究， 探索包结配位反应的动力学特征，以便更好地从动力学的 角度理解生命活动过程， 具有重要的理论和应用价值，这必将成为环糊精 酶模拟和分子识别研究的发展方向和研究热点。 1 . 2石英晶体微天平的研究进展 1 . 2 . 1概述 现代化学、 材料科学、 生物学和医学等方面的研究已深人到微观过程 和作用机理的 探索。 传统的研究方法， 一般都通过假设和建模， 再凭借对 有限的宏观量的测定， 来反证所建立的模型和机理的相对合理性。 显然该 法不能在线监测微观的变化过程， 往往使所建立的模型或机理与实际过程 相去甚远。 建立一套在线跟踪监测微观过程变化的手段， 是解决问题的关 键。 石英晶体微天平 ( q c m) 对过程质量和体系性状 ( 密度、粘度、电 导率、 介电常数等) 变化非常敏感，具有n g 级的质量检钡 能力4 3 1 ，能够 检测微观过程中的微小变化， 获取丰富的在线信息， 为研究微观变化过程， 破泽微观作用机理等提供了一种强有力的手段。 正因为如此， q c m近年 中 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 0 石 英 晶 体 微 天 平 用 于 。 环糊精含硫衍生物分子识别的研究 来获得了迅速发展，已广泛用于化学 、材料、生物和医学等多个领域的 研究。 1 2 2 q c m 基本原理与传感理论 1 . 2 . 2 . 1基本原理 q c m作为一种非常敏感的传感器， 是以a t ， 切型石英晶 体作为接受器 和能量转换器6 5 1 、 利用石英晶 体的压电 效应来实现能量转换和传感的。 石 英晶体属d ， 点群，三方晶系结晶的各向异性体g q c r _. 一 . 一 . 一 . 一 . 一 . 一 . 一. 一 . 厂，.1 1 o i s习乃 c x i d -i - l 图3 - 2 浓度对频 移 t的影响 表面的 质量负载不再随着浓度的变化而改变， q c m的频率趋于稳定。 实 验确定振荡频率不再随客体浓度 c 。 发生变化的最小客体浓度 c 。 为 1 x 1 0 - m o l / l 。 从图线形状看， 与l a n g m u ir 吸附曲 线很相似， 包结配位过 程可能 符合l a n g m u ir 吸附 模型 3 . 3 . 3 包结稳定常数k i 。 的测定 假定p - c d d 与蔡分子( 客体g ) 形成化学计量为1 : 1 的包结配合物， 包结反应可表示为: 刀 一c d d + 。 一: i n 妙一 . 、 万一c d dg 据上述假定， 可以推测: 1 ) 主一 客体包结配位位点一一对应， 因0 - c d d 在金电极表面自 组装成单层膜，所以，主一 客体包结反应是单分子层的反 应: 2 ) 形成主一 客体配合物， 客体分子在(3 - c d d 的内 腔， 受空腔的屏蔽， 客体分子间的相互作用可忽略; 3 ) 包结反应是可逆的， 是主一 客体包结与 离 解达到动 态平衡的 结果。 这些正 好与l a n g m u i r 吸 附 模型 吻 合2 0 1 。 如果 假设成立， 则包结反应可用l a n g m u i r 吸附方程描述。 包结反应位点数占 中南大学硕士学位论 文 如 奋 日 石英晶体微天平用于0 - 环糊精含硫衍生物分子识别的研究 总位点数的分率0( 相当于表面吸附覆盖率) 与包结平衡常数k ,. 和客体浓 度c s 的关系可用下式表示加 田 : 0 _ 一 三 一 c , +1 / k , 3 一 1 由 描述 q c m在包含质量吸附和液体荷载的频移方程5 , 1 ， 可以 假设: 频移量与吸附质量成正比，即 厂= - k a m，则0 可表示为: 0 = 二= o f r o f口 3 一 2 可得: 4 f _c , a f o c g + 1 / k ;. 即 :鱼- 厂 co1 ， 岁万+二 二 - - ， - 二 4 f k, ” c 3 一 3 式中: c g 为客体 ( 蔡) 的 浓度，a f 为某一浓度c 。 下达到平衡的 频移 量，of 是客体浓度足够大，主体空腔完全为客体分子占 据时所引起的频 移量。r , r分别为吸附量和完全反应的 饱和吸附量。 以q/ af对 c 。 作图， 可得一直线，由 直线的 斜率和 截距可求出 fo 和 k。 。 实验测定了2 5 下， 不同浓度的蔡一 乙醇溶液中， 达平衡时的频移量， 以c s / ,lf 对c 。 作图，结果见图3 - 3 0 从图3 - 3可以 看出， 得到一条直线， 对其进行线性回 归， 相关系数为 0 .9 9 7 2 ，回归方程为: c g / of = 0 . 1 1 1 1 1 1 c r, + 2 .6 9 x 1 0 -7 实验结果与理论推导完全吻合。 优良的线性关系证明了假定包结配合 物为 1 : 1 的化学计量是成立的， 包结反应服从 l a n g m u ir 吸附关系。 据式 3 - 3 ，由直线的截距和斜率可求得f , k ;。 分别为 9 h z和 4 . 1 3 x 1 0 5 ( m o l l - ) s 1 0 中南大学硕士学位论文t i t石英晶体微天平用于卜环糊精含硫衍生物分子识别的研究 一。三佘01义 叼于 c c 图3 - 3 甲 0 / m o f 与 x 1i - l - c c 的关 系 同法测定0 - c d d 与蔡系、苯系衍生物的包结反应，结果见表3 - 2 0 表3 一 2 0 - c d d 与蔡系、 苯系衍生物形成包结配合物时的饱和频移量( l,f 0 ) ， 稳定常数( l o g k , ) 和自 由 熔变化( ag 0 ) 客体( g) 蔡 。 一 蔡磺酸钠 p 一 蔡磺酸钠 1 一 蔡胺一 4 一 磺酸钠 3 , 6 一 蔡二磺酸钠 铬黑t 1 一 亚硝基一 2 一 蔡酚一 3 , 酚 4 一 硝基苯酚 香兰素 酚酞 亚 甲基蓝 尸用z o g kn 一 g / k j mo l : .: 巧89 3. 2 7 ，jl之j刀口n， 0了土1土，土，土 6 一 二磺酸钠 : .:; : : 3 2. 8 1 9 . 2 9 3 0. 5 4 1 0. 7 9 1 8 . 6 6 未观察到包结反应 未观察到包结反应 未观察到包结反应 1 6 . 6 7 1 7. 9 2 6 . 1 1 1 7. 0 7 ，土卜， 0曰，山，上，户 注:蔡是在绝对乙醇中测定，其余均在水溶液测定。 3 3 中南大学硕士学位论文必石英晶体微天平用于p 一 环糊精含硫衍生物分子识别的研究 3 . 3 . 4 包结反应速率常数k 。 的确定 对包结反应: 夕 一 c d d ，。一上址、 。 丫v， 之 1 -一p 一 一kd c d d。g 反应体系中g的量相对于金电极上的0 - c d d 是大大过量的， 整个反 应过程可认为其浓度 c .。 保持不变。因此，可假设该反应为准一级反应， 其动力学方程为: d c. - c o d .g r =k _ c。 d t ， 一。 。c “ 一k ; c ， 一 3 一 4 1 据 前 述 频 移 量 与 吸附 质 量 成 正比 的 假 设， 可 得: 马一 。 d -g 二 ( - a f ) 马- c d d 二 - af 0 + af) ， 于 是 式 3 一 4 可 写 成: d 竺一 k - (- o f 0 + 4 f ) d t c 0 g 一 止 兰( 一 f ) k , 3 一 5 积分，得: in 1 一 ( 1 十 面 , c c ) 翼 h 甘 一( c i 、 生)k t k - 3 一 6 式中:c .。 为保证足够的反应时间，达平衡时的频移量不再随浓度改 变而变化的最小的客体浓度;of和f 0 分别为在 c % 浓度下， 某一时刻 的频移量和达到平衡时的频移量;k 。 为包结速率常数;t 为反应时间:k ; 为包结平衡常数;k ;二 和c % 均由前述方法确定。 式 3 - 6 )与 l a n g m u i r 吸 附 速 率 方 程 一 致 z ae i。 以 1 a f- 一，一 一 - 一 i n 1 一 ( i + 一) 共育 对t 作图， 应可 得一 直 线， 由 直 线 斜 率 可 求出k , o k i n c 4 f-一- 一- ，一 一- - - 一一 实验测定了2 0 , 2 5 , 3 5 , 4 0 下，蔡与0 - c d d 包结反应的情况， 每 * * 、 、 : 二 山 、 ，、 入 *. 亩 ， ， 二 、 、 _ _ _ _ 。 _ _ _ _ _ _ ， _ ，、 _ 、_ _ . ， . _ _ _ 甲 f f j / j: 上 于 比 甩 x、旧 兰 岭日 日 v f rw 人 r用 丁 p一 砰 栩 稍 a 7 a1 汀王 彻 分 士 说 万 u 日 习 研 笼 个 温 度 点 平 行 做 4 次 ， 然 后 以 in 1 一 (1 + - 尖- ) 竺 对 t 作 图 ， 结 果 见 图 k i n c a p “ 3 一 4 从图3 - 4 可以看出， 动力学曲线表现良 好的线性相关性， 实验结果与 理论推导吻 合， 表明 包结反应动 力学过程服 从l a n g m u ir 吸附 速率方程， 在客体大大过量的情况下， 包结反应是一级反应。 曲线的后一部分的非线 性可能是由于接近平衡时， 因吸附引起的频移量很小， 仪器的随机误差相 对明显， 而引 起数据点分布零乱。由 直线的 斜率可分别求得2 0 , 2 5 , 3 5 , 4 0 0c 下的速率常数分别为2 7 . 7 5 , 2 9 . 9 8 , 3 4 . 7 3 , 3 7 . 2 5 ( m o l l ) ， s - ， 初步估算其活化能为1 1 . 2 3 5 u / m o l . 6凡jq 犷与七司介。.彗+千量 ， - ， -. ，一一 一- - - ， 一- l o w 1 5 0 0 e / s 图3 - 4 ( 温度 / 不同温度下包结反 应动力学曲线 ( a ) 2 0 ， ( b ) 2 5 , ( c ) 3 5 , ( d ) 4 0 3 . 3 . 5包结反应活化能的测定 反应活化能可由下式计算m 9 1 in k = 一 玉十 in a rt 3 一 7 分别测定 2 0 , 2 5 , 3 5 , 4 0 与蔡系、苯系衍生物的包结反应，按上 述方法求其反应速率常数 k a ， 每个温度点平行做4 次， 然后以l n k a 对1 / t 作图， 得一直线，由 直线的 斜率可计算包结反应活化能。 2 5 下r - c d d 3 5 中南大学硕士学位论文 饭 亩 石英晶体微天平用于0 - 环糊精含硫衍生物分子识别的研究 与蔡系、苯系衍生物包结反应的速率常数和包结反应活化能见表3 - 3 0 从表3 - 3 可知， 包结配位反应仍需一定的活化能， 即主、 客体分子需 获得一定能量变成活化状态h - g ， 才能越过能垒形成h - g主客体配合物， 由于反应所涉及的都是弱相互作用5 ， ， 反应实质是一种物理作用， 过程无 电子转移和化学键的断裂与生成，因此， 所需活化能都比较小。由于在实 际的反应体系中，主、客分子均是溶剂化的，主、 客体结合时，客体分子 必须首先脱掉溶剂化层， 进人主体空腔时， 还需排出空腔内溶剂分子， 估 计所需的活化能主要用于克服主、 客分子的溶剂化能和分子结构、 分子取 向的调节等，以求以最佳匹配方式相结合，形成较稳定的包结配合物。 表3 一 3日 - c d d 与蔡系、 苯系衍生物包结反应的 速率常数和活化能 ( 2 5 0c ) 客体 ( g )k a / ( m o l l - 1 ) 一 se a / k im o l 一1643514574l7021l5977l7492173322303716076 蔡 。 一 蔡磺酸钠 0 一 蔡磺酸钠 1 一 蔡胺一 4 - 磺酸钠 3 , 6 一 蔡二磺酸钠 4 一 硝基苯酚 香兰素 酚酞 亚甲基蓝 2 9. 9 8 0. 0 6 1 3 8 9. 6 6 4 0. 0 0 1 5 2 5 0. 0 8 2 7 5 0. 1 2 0 1 0. 0 5 8 6 0 0. 0 0 0 4 8 1 6 0. 0 6 8 4 4 注:蔡是在无水乙醇中测定，其余均在水溶液中测定。 3 . 3 . 6 混合体系中q c m 的频率响应 实验分别测定了 q c m 在各组分浓度均为 。 . 0 1 m o l/ l的混合体系i 。一 蔡磺酸钠十亚甲基蓝) 、h ( 。一 禁磺酸钠+4 - 硝基苯酚) 、川 ( a - 蔡磺酸钠十铬黑t ) 中的频率响应情况， 并将在同浓度下单一组分的溶液 中的频率变化一并绘于图3 - 5 中。 从图3 - 5 可见， 在混合体系中的频率变化曲线b 介于单一组分体系中 * 、 + 、 。 二 二 * *电 亩 日 二 ， 曰 、 、 _ _ _ _ 。 _ _ _ _ _ _ ， _ ， _ 、_ _ . l _ _ ti 1 / - # i : ly - 1 1l g x一- l 1 : e e s v r v x c - r m -r r1 - 1 mm l f r 1aq m 7 1 1 e + g 7 f j t y . b mij o t h 的频率变化曲线a , c 之间， d 介于c , e 之间， f 几乎与c 重合。 这是因为， 包结配位活性位点与客体分子是一一对映的， 当 体系中有多种分子能与主 体形成包结配合物时， 包结物的种类和数量取决于包结配合物的形成速度 和稳定常数。 从表3 一 2 、 表3 - 3 可知， 对混合体系i ， 两种客体与r - c d d 形成配合物的速率常数和稳定常数比 较接近， 所以在该体系中 形成的配合 物有两种， 且比 例接近， 但由于亚甲基蓝分子量大， 其占 据一个活性位点 所引起的频移量大， 所以曲线b 更接近于a ; 同理， 可分析体系i i 的情况， 由于4 一 硝基苯酚的形成速率常数约为a 一 蔡磺酸盐的两倍， 所以曲线d 更 接近于曲线e ;对于体系m， f 与c 几乎重合， 说明铬黑t 对。 一 蔡磺酸盐 的包结配位反应无影响，0 - c d d能选择识别。 一 蔡磺酸盐，而对铬黑 t 不产生识别作用。 r j一 . 一. 一. 一 . 一 一“ ab 一 : - 司1闷es月. 加j8 几一 ， - - - 一 _.- - .一 一 :一 启公 a 1 . . - 由一方升今 一 夕一 一 了 一 : 一 : ， 犷一 甲 ，一， ， ， ， 令，去含 n工、叼 户 1 1 湘 洲 )zx 旧引兀 旧口幻 刃 c / s 图3 - 5混合体系中q c m 的 频移曲 线 ( a . 亚甲 基蓝， b . 亚甲 基蓝 十。 一 蔡磺酸盐， c .。 一 蔡磺酸盐 d .。 一 磺酸盐+4 - 硝基苯酚， e . 4 -硝基苯酚，f .。 一 蔡磺酸盐+ 铬黑t) 3 . 3 . 7 影响包结反应速率常数的因素 从表3 - 3 可以看出， 分子的大小、 芳环上取代基数目、 位置和种类等 不同， 包结速率常数存在较大差异。 因为对于包结反应， 发生反应的首要 条件是客体分子进人主体0 - c d d 的空腔，客体分子进人空腔的速度在很 t * *+ 、二 二、。人 、匆 . ，曰 、，而。，。一. 一，. ， 、 _、 _ _ . l_ _ t ! 刊/ 、 于 明 上， 以 唱 人。 ”叼 x 日 日 1 平， 联2 、t/ 目丁 p_ n, 期 租 石 确 1 汀王 秘 ， r 士 砂 1 t m t 1 1 w 光 大程度上影响甚至决定整个反应的速度。 客体分子的尺寸和形状对客体是 否适合进人主体空腔起着决定作用。 对于蔡系衍生物， 从分子尺寸和结构 上分析， 需选两个环中心连线所在的纵向方向作为进人空腔的优先方向， 蔡环上的取代基不论处于何种位置，其分布方向总与进人方向有一定夹 角， 都会对进人空腔造成一定的空间位阻， 显然，。 一 位取代基空阻比0 - 位的更大。因此，取代基体积越大，数目 越多，占 据。 一 位的越多，空阻 越大，反应速度就越慢。所以，出现